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ネットワークでなぜ遅延が生じるのか

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インターネット/ネットワークで生じる遅延の分類とエンドツーエンド通信に与える影響

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ネットワークでなぜ遅延が生じるのか

  1. 1. ネットワークで なぜ遅延が⽣じるのか 加藤 淳 2016/12/25
  2. 2. Who am I ? • ネットワークエンジニア • 某外資系メーカ勤務 Twitter: @jkatojp Jun Kato / 加藤 淳
  3. 3. Q. ネットワークの遅延 (Latency)は限りなくゼロに 近づけることが可能である Yes or No
  4. 4. 1パケットの視点で⾒る ネットワーク遅延
  5. 5. プロセス遅延 (Processing Delay) パケット 出⼒先決定 ヘッダ書き換え フィルタリング QoS 統計情報取得 カプセル化 筐体内転送 • 伝送装置 • メディアコンバータ • スイッチ • ルータ • NAT装置 • 仮想化装置, IPsec, etc • 通信機器の⼊⼒インターフェイスで受信して 出⼒インターフェイスのキューへ送るまでにかかる時間 出⼒ キュー パケット ルータの例 暗号化
  6. 6. キューイング遅延 (Queueing Delay) • 通信機器の出⼒インターフェイスキューに⼊ってから 出⼒処理を⾏なうまでにかかる時間 出⼒キュー • 出⼒処理より速いペースでパケットが届くとキュー待ちが増える • 広帯域回線から狭帯域回線への転送、⼀時的な輻輳 (バーストト ラフィック) などへの対応 優先制御 キューイング スケジューリング
  7. 7. シリアル化遅延 (Serialization Delay) • 通信機器の出⼒インターフェイスからパケットを電気信号や 光信号に変換して送信完了するまでにかかる時間 出⼒キュー 広帯域回線では短い 狭帯域回線では⻑い パケット パケット 信号変換 1500バイトのパケットの送出にかかる時間は • 10GEでは1.2マイクロ秒 • ISDN(64Kbps)では187.5ミリ秒 (187,500マイクロ秒)
  8. 8. 伝搬遅延 (Propagation Delay) • パケットが通信経路上を伝わるのにかかる時間 • 光ファイバの伝搬速度はおよそ 2.0*108 m/s • 媒体により速度固定。光速より遅い (屈折率, 波⻑短縮率) パケット パケット 伝搬遅延の理論値 • 東京〜⼤阪間 500km 往復 5ミリ秒 • ⽇本〜アメリカ⻄海岸 海底ケーブル 9,000km 往復 90ミリ秒 • ⼈⼯衛星 静⽌軌道 上空36,000km 2往復 500ミリ秒 ※ 実際には他の遅延も含めもっと⻑くなる
  9. 9. 半⼆重通信 (Half Duplex) • データの送信と受信を共通の伝送路上で⾏う • 伝送路上に3台以上の装置が存在可能 • 送信が可能なのは同時に1台のみ (帯域を共有) • Wi-Fi (CSMA/CA⽅式) や初期の Ethernet (CSMA/CD⽅式) ßà全⼆重通信: データの送信と受信が独⽴な伝送路 • 他の装置が送信している時、⾃分は送信できない • 伝送路を共有する装置やトラフィックが多いと 待ちの確率が⾼まる • 送信に失敗した場合は⼀定時間を待って再送する Wi-Fi Access Point 送信中
  10. 10. 広帯域回線 ≠ ⾼速回線 • 広帯域回線はキャパシティは⼤きいが 「速い」のはシリアル化遅延のみ • 伝搬速度は物理法則(光速)を超えられない 広帯域回線 狭帯域回線 通称 ⾼速回線 低速回線 例 100G Ethernet ISDN 64K プロセス遅延 トラフィック量と処理により変動 キューイング遅延 出⼒側回線帯域使⽤状況により変動 シリアル化遅延 短い ⻑い 伝搬遅延 物理媒体ごとに⼀定
  11. 11. エンドツーエンドで⾒る ネットワーク遅延
  12. 12. RTT (Round Trip Time) • RTT とは宛先にリクエストを送って応答を受け取るまでの エンドツーエンドの往復所要時間 • 往復ではなく⽚道のみの所要時間を計測するのは難しい リクエスト 応答 (Ack) RTT = ① 往路のネットワーク遅延 + ② 宛先ノードの処理時間 + ③ 復路のネットワーク遅延 + ④ 発信元ノードの処理時間 ① ② ③ ④
  13. 13. エンドツーエンドの経路 • 利⽤している通信端末とサービス提供者の間には様々な ネットワーク事業者が介在する • RTT はこの経路全体の遅延を合計した値 携帯キャ リアA ISP B クラウド 事業者 C D社サーバ MVNO 事業者 E ISP F MVNO事業者(格安SIM)利⽤時の経路 携帯キャリア利⽤時の経路 • ⽬的のサーバにどのネットワーク事業者を経由するのか⼀つの事業者では すべてコントロールできない • 事業者間の相互接続点がエンドツーエンドで最適な場所にあるとは限らない à 札幌同⼠の通信でも異なる事業者間では東京を経由したりする 公衆WiFi 事業者 G
  14. 14. TCPフロー制御 • TCP は送信パケット(セグメント)に対する応答 (Ack) を常 に要求する • 仮に1セグメントずつ応答を要求すると、最低でも 「セグメント数 x RTT」の時間を要し⾮効率となる • TCP では⼀度に送受信可能なデータ量 (TCPウィンドウサ イズ) をネゴシエーションしまとめて送信することで、 ネットワーク遅延の影響を⼤きく軽減している • TCPウィンドウサイズは動的に変更される データ 応答 (Ack) データデータ TCPウィンドウサイズ
  15. 15. アプリケーションの性質 • アプリケーションの通信パターンによって 体感速度や体感遅延は⼤きく異なる – バースト型 • Webブラウジング • ネットラジオ • チャット – リアルタイム型 • ⾳声通話アプリ • オンラインシューティングゲーム – ストリーミング型 • ビデオストリーミング
  16. 16. ネットワーク遅延の増⼤要因
  17. 17. TCPアプリケーションでの遅延 • TCP の場合、ネットワーク遅延の影響はフ ロー制御で少なからず軽減される • むしろ通信経路上のパケット消失による再送 の⽅がTCPセッション全体の処理時間に⼤き な影響を及ぼす • パケット消失の原因としては – 輻輳や処理性能超過による破棄 – 伝送経路の信頼性低下によるエラー – ルーティングの変化による⼀時的なループ – その他
  18. 18. 使⽤率の増加、輻輳 (Congestion) • 回線帯域使⽤率が100% (ラインレート) に近づくにつれ 出⼒キューの⻑さが急激に伸びる à キューイング遅延増⼤ • キューの⻑さ (バッファ) は有限 • キューイングできないパケットは破棄される (輻輳の発⽣) 出⼒キュー キューイング パケット破棄 (輻輳の発⽣) 帯域使⽤率 ほぼ100%
  19. 19. 使⽤率の増加、輻輳 (Congestion) • M/M/1待ち⾏列モデル • Tw = ! "#! ×Ts Tw: 平均待ち時間 Ts: 平均サービス時間 ρ: 利⽤率 利⽤率が100%に近づくにつれ 待ち時間が急激に伸びる 利⽤率 平均待ち時間 • 回線帯域使⽤率の他、 サーバの処理性能にも 同様のことが⾔える • 遅延や輻輳の観点からは、 リソースを処理性能の限 界まで使い倒さないこと!
  20. 20. 特定トラフィックの優先制御 • 優先制御 (プライオリティキューイング) 低遅延を保証する QoS 機能の⼀つ • あなたのインターネットトラフィックは通常ここ には含まれない (他事業者 (OTT) が提供するインターネット⾳声 通話含む) • 優先される通信 – ネットワーク維持に必要な制御パケット – ルーティングプロトコル – ネットワーク事業者⾃⾝が提供する⾳声、ビデオ – ネットワーク事業者⾃⾝が提供するサービス – など
  21. 21. QoS: ポリシングとシェイピング Shaping Traffic Time Traffic Rate Traffic Time Traffic Rate PolicingTraffic Time Traffic Rate Traffic Time Traffic Rate 指定帯域超えの アクション 遅延 ジッタ ⽤途 ポリシング 破棄 低遅延 ⼩ ⾳声、ビデオなど シェイピング キューイング 増⼤ ⼤ TCPアプリケーション
  22. 22. 伝送経路の迂回 • ISPや回線業者はメンテナンスや障害対応などで伝送経路 を迂回させることがある • 迂回経路は同⼀設備や中継点を通らないことが望ましい • ところが… 東京 ⼤阪 • 迂回経路は通常経路よりも概して遅延が⼤きい • 国内で数⼗ミリ秒 増加するケースもある • ISP関係者から聞いたお客様からのクレーム 「いつもより遅延が5ms⼤きいんだけど、どうなってんの?」 その低遅延要求、本当に必要ですか?? 東海廻り 北陸廻り
  23. 23. まとめ A. どんな回線も光の 速さは超えられない

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